甚小型衛星發展綜述

蘇瑞豐 張科科 宋海偉

（上海微小衛星工程中心，上海 201203）

1 引言

從蘇聯1957年發射第一顆人造衛星開始，隨著各應用領域任務需求的日益增加，衛星質量由最初的84kg已發展到超過6000kg的大型衛星。衛星的制造成本和復雜度大幅提升，1顆1000kg以上的大型衛星，其成本為1億～20億美元；1顆100kg以下的小衛星，成本也需要200萬～1000萬美元。與此相反，小型化、高性價比衛星技術也正在蓬勃發展。目前，1顆1kg以下的皮衛星成本為2萬～20萬美元，1顆0．1kg以下的飛衛星成本甚至不到1萬美元［1］。質量在1kg以下的衛星統稱為甚小型衛星（Very Small Satellite），主要包括皮衛星、飛衛星，起源于科學或學術研究，追求性價比，注重驗證、發展和提升技術。甚小型衛星能借助電子產業大規模工業生產的基礎和架構，以盡可能小的質量、體積和可批量化生產的方式實現任務需求，主要面向教學與科研、低軌通信、新技術驗證，以及未來空間遙感組網、空間碎片監測等任務［2］。隨著新技術、新材料、新工藝的不斷出現，未來將有更多數量的甚小衛星得到更廣泛的應用。

本文介紹了立方星（CubeSat）、片上衛星（Space-Chip）、印制電路板衛星（PCBSat）和多芯片組件衛星（MCMSat）4種甚小型衛星，通過綜合分析比較它們的優缺點，提出了適用于我國情況的甚小型衛星技術發展思路。

2 甚小型衛星類型

2．1 立方星（CubeSat）

CubeSat技術是目前甚小型衛星設計的主流技術之一，衛星設計標準體積為10cm×10cm×10cm，質量為1kg。CubeSat技術源于美國國防預先研究計劃局（DARPA）出資、由多所大學負責開發的CubeSat皮衛星項目，其目標是制定皮衛星的設計標準。 美國加州州立理科綜合大學（C．P．S．University）在該計劃中負責開發“多皮衛星軌道部署器”（Poly Pico-satellite Orbital Deployer，P-POD），定義了衛星與P-POD 的相關接口，以及P-POD 與 運載火箭的接口［3］。2003年，俄羅 斯用1枚火箭發射了6 顆CubeSat皮衛星，其中包括來自加拿大多倫多大學的Canx-1、丹麥奧爾堡大學的AAU CubeSat、丹麥技術大學的DTUSat、QuakeFinder公司的QuakeSat、日本東京工業大學的CUTE-1 和日本東京大學的CubeSat XI-IV。2010年11月，NASA 從“快速、經濟可承受、科學與技術衛星”（FASTSAT）上成功釋放一顆立方星——納帆-D（NanoSail-D）。此外，歐盟在第七研發框架計劃（FP7）下實施了“50顆立方星組成的用于開展低熱層探測和再入返回研究的國際衛星網絡”項目（簡稱QB50項目）。該項目由馮·卡門流體動力學研究所（VKI）聯合歐洲航天局（ESA）等多個研究機構共同提出，采用50顆2U 立方星組網，實現對低層大氣的多點在軌測量，同時在星座中開展衛星再入大氣層過程的一些相關研究。QB50立方星預計在2015年發射。圖1給出了CubeSat的部署器和外觀圖。

圖1 Cubesat的部署器和衛星外觀圖Fig．1 Deployer and configurations of Cubesat

美國加州州立理科綜合大學和斯坦福大學聯合制定了CubeSat皮衛星設計標準［4］，其目的在于向不同學校和不同機構的開發者提供最基本的、必要的設計大綱和指導，保證CubeSat系列中的每一顆皮衛星，都能與釋放裝置P-POD 正確接口。標準中明確定義了皮衛星的外部尺寸、推薦使用的制造材料、關鍵約束條件，還列出了設計者必須遵守的衛星組裝、集成、發射等的時間進度節點安排。該標準實際上奠定了整個皮衛星或更小衛星的設計基礎，成為實際設計通用的標準。此外，美國Pumpkin公司按照CubeSat技術標準中電器、機械方面的要求，設計了CubeSat的開發平臺CubeSatkit，它能對美國得克薩斯儀器公司（Texas Instruments，TI）基于精簡指令集處理器（RISC）架構的低功耗微控制器MSP430（宇航級）進行開發設計。另外，它們還為CubeSat專門設計了星上實時操作系統。到2012年為止，Pumpkin公司至少賣出了40個開發平臺［5］。

2．2 片上衛星（SpaceChip）

SpaceChip目前還沒有統一的定義，一般將其界定為“建立在單片集成電路上，能夠發射到空間執行任務，并可以和地面站通信的最小衛星”。Space-Chip的集成度高，實現復雜，一直被認為是衛星小型化技術所要實現的最終目標。

美國學者Keller在1994年最早提出SpaceChip（或者Satellite-on-a-chip）的概念，他認為可以將整個衛星集成在一個CMOS的芯片上［6］。1998年，Joshi等人進一步提出“集成衛星”的概念，考慮當時的技術限制，認為可以將衛星所有電子系統的功能集成到一塊或多塊晶圓（wafer）上，以達到衛星甚小型化的目標［7-8］，并在同年申請了美國專利［9］。NASA也在1997年啟動了“新盛世”計劃和深空系統項目，以開展片上航天器（Spacecraft-on-a-chip）的研究。

英國薩瑞大學空間技術研究中心（SSC）在1999年也提出類似的概念——ChipSat。ChipSat是SpaceChip的簡化版，衛星系統的部分功能集成到ChipSat，最終實現SpaceChip 的要求。SSC 通過片上系統（SoC）的設計方法，率先將數據處理、通信、特定載荷任務（遙感）集成到Xilinx公司的FPGA 中；但是對于其他衛星分系統，如電源系統等未實現集成［10］。在2006年，SSC 重新對該衛星甚小型設計技術進行可行性評估，提出利用芯片自充電技術實現電源系統的集成，并重新對SpaceChip作出定義：建立在兩個單片集成電路（一個作為備份）上，同時有最少的外部元件，能夠發射到空間執行任務，并可與地面站通信的最小衛星［11-12］。文獻［11-12］中的研究，是SpaceChip技術發展的一個里程碑，解決了電源系統集成這個難題。隨后，SSC 又提出了SpaceChip概念設計框圖（見圖2），利用基于硅鍺雙極互補金屬氧化半導體（SiGe BiCOMS）工藝實現單片太陽電池片集成，并獲得了3．4%的能源效率，同時還提出利用異步邏輯實現SpaceChip中抗輻射加固。SSC雖然在SpaceChip上取得了突破，但是并未將執行遙感任務衛星的所有功能集成在一個芯片上。由于SpaceChip的功率非常有限，其有效通信距離很短，因此，即使SSC 實現利用SpaceChip技術設計的衛星，還要繼續研究如何實現衛星與地面站的遠距離通信。

圖2 SpaceChip概念設計Fig．2 SpaceChip conceptual design

2．3 印制電路板衛星（PCBSat）

PCBSat直譯為印制電路板衛星，就是將衛星上各個物理分離的系統，變成多個獨立的電路模塊集成到印制電路板（PCB）上，其優點是能實現成本和性能較好的折中。因為PCB的設計方法較為成熟，并有多款電子設計自動化（EDA）軟件可對其進行設計，所以增加了可實現性；而且，利用PCB技術可有效實現多個衛星分系統高密度集成，減小衛星的體積和質量，并可采用商用現貨（COTS）元器件降低成本。

英國薩瑞大學開展了大量的研究，目前共開發了A、B、C三款PCBSat的原理樣機，以及成熟度最高的FM 型PCBSat。A 款PCBSat原理樣機見圖3。其正面如圖3（a）所示，集成了通信、電源、姿態控制、數據處理、載荷（CMOS機相等）；背面如圖3（b）所示，排放的是太陽電池板［1，13］。整個PCBSat質量為70g左右。A 款的問題是未考慮空間輻射和熱環境，整個PCB板均裸露在外；采用的是鎳氫充電電池，電池容量只有80mA·h，使得整個衛星功率較小，通信距離有限。

圖3 A 款PCBSat結構圖Fig．3 Configuration of PCBSat edition A

B款和C 款是A 款的改進型，這兩款差別較小，其正面如圖4所示。它們增加了定軌功能，可通過GPS接收機來確定自身軌道。同時，為了克服A款中電池容量小的問題，C款改用了鋰電池，電池容量可達300 mA·h，提升了通信能力。同樣，B、C款仍未考慮空間環境，而且太陽電池只安裝在背面，增加了姿態控制的難度。

在以上三款原理樣機的基礎上，考慮到采用P-POD部署多顆PCBSat的情況，薩瑞大學在PCBSat的設計上采用了CubeSat的相關標準，研制了FM 型PCBSat（見圖5）。從圖5（a）可以看出：太陽電池板分成兩塊，而不是原來的只有背面排放；通信天線設計也考慮實際發射情況，設計成可伸展型；左右兩塊鋁板對核心電路板進行封裝，保持電路的溫度在正常范圍內。其核心電路板如圖5（b）所示，集成了執行載荷任務衛星所有的子系統電路。有效載荷部分包括圖5（a）中的兩個載荷傳感器，以及載荷控制采集電路，主要分布在核心電路板的背面；數據處理系統采用的是Atmel公司低功耗AVR 微控制器，并采取了抗輻射加固措施；通信系統包括射頻模塊、可伸展天線；電源系統包括鋰電池、峰值功率跟蹤器（PPT）、電池充電調節器；姿態控制和軌道確定器主要包括GPS模塊、GPS接收天線、姿態控制電路等；此外，還包括地面支持設備，用于地面軟件開發、接口測試等。裝配后的FM 型PCBSat如圖5（c）所示，總質量為311g，尺寸為10cm×10cm×2．5cm。經過飛行測試，其各項指標均符合要求。PCBSat易于設計，體積小，且元器件均有商用現貨可供應，成本較低，是未來皮衛星、飛衛星的一種重要實現技術。

圖4 B款、C款PCBsat俯視圖Fig．4 Top view of PCBSat editions B and C

圖5 FM 型PCBSatFig．5 PCBSat flight model

2．4 多芯片組件衛星（MCMSat）

MCMSat甚小型化技術源于多芯片組件（Multi-Chip Module，MCM）技術，在20世紀90年代提出。MCM 沒有統一定義，一般認為是由不少于兩個裸芯片或芯片大小的集成電路封裝到一塊高密度多層布線的基板上。將MCM 技術和衛星設計技術相結合，即將衛星多個分系統的功能封裝成芯片或集成電路，然后集成到高密度多層布線基板上，就是MCMSat。MCMSat技術實際上綜合了PCBSat和SpaceChip技術，其特點是芯片距離近，裝配密度大，質量小，元器件可采用商用現貨。

NASA 在1995年為實現航天器小型和微型化提出先進飛行計算機（AFC）技術，將MCM 技術作為關鍵技術研究，并提出了集成通用組件（Integrated Utility Module，IUM）概念。IUM 是將結構、熱控、電源管理、數據和信號傳輸、防輻射、防宇宙塵埃以及其他電子和機械功能都集成在一個質量和體積都很小的無電纜連接的封裝中，從而形成一個大功能塊。IUM 是系統集成，它既可用單層MCM，也可以是三維堆積MCM，即將單個MCM 塊在平面排布后多層堆積。

目前，MCM 主要有3種類型：MCM-L（由高密度多層印制線路板構成），它成本低，工藝成熟，但布線密度不高，組裝效率和性能都較差；MCM-C（由高密度多層陶瓷基板構成），它最高布線可達80層，每層膜厚150μm，互聯小孔直徑只有100μm，面積可達150mm×150mm；MCM-D（由高密度淀積薄膜多層布線基板構成，較多采用硅基材料），它是布線密度、組裝效率最高的結構，采用集成電路工藝實現，線寬可以小至5μm，但成本較高。由于甚小型技術主要針對1kg以下的衛星，因此，MCM-L相對傳統的PCB設計并無優勢，MCMSat設計主要考慮采用MCM-C或MCM-D。文獻［1］提出利用MCM-D技術設計甚小型衛星，如圖6所示。圖6（a）為MCMSat概念設計框圖；圖6（b）是MCMSat正面圖，包含射頻子系統，使用4個1．5mm×82mm 的交叉偶極子，電源子系統采用8個20mm×40mm 的GaAs太陽電池；圖6（c）是MCMSat背面圖，安裝了充電電池和電路等。所有微電子器件，包括有效載荷，均排放在3個高密度基板上。

圖6 MCMSat設計Fig．6 MCMSat design

3 中國甚小型衛星現狀

目前，我國對于甚小型衛星主要還處于前期論證和研究階段，但是具有類似設計理念的納衛星已有成功實例。

2010年9月22日，浙江大學搭載發射了兩顆皮星一號A 衛星（見圖7），其采用150mm×150mm×150mm 的立方體體裝式結構，質量3．5kg，功率僅3．5W，90%以上元器件采用工業級組件篩選及加固，具備衛星熱控、姿態控制、測控、能源、星務管理等多項功能。飛行試驗驗證了星上裝載的半球成像全景光學相機、MEMS加速度傳感器和角速度傳感器在空間環境條件下的適應性。此外，對高效率三結GaAs太陽電池在空間環境中的性能也進行了測試。

2012年5月10日，國防科技大學成功發射了一顆自主設計與研制的天拓一號技術實驗衛星（見圖8）。該衛星尺寸為425mm×410mm×80mm，質量9．3kg，實現了將星務管理、電源控制、姿態確定與控制、測控數據傳輸等基本功能部件集成在單塊電路板上，主要任務是開展星載船舶自動識別系統（AIS）接收、光學成像、空間環境探測等在軌科學試驗。

另外，我國西北工業大學、浙江大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學、臺灣成功大學等多所高校參與了QB50項目。西北工業大學作為QB50項目的亞洲區唯一發起單位和亞洲區總協調單位，主要承擔兩大任務：一是配合項目總體要求，自主完成一顆立方星的設計、研制與地面測試；二是完成QB50項目的亞洲區任務控制中心（MCC）的建設。

圖7 皮星一號A 衛星Fig．7 ZDPS-1Apico-satellite

圖8 天拓一號衛星Fig．8 SpacePioneer-1satellite

4 甚小型衛星的主要應用領域

4．1 教學與科研實驗

甚小型衛星起源于高校和研究機構的學術研究：一是其系統復雜度比大型衛星低，研發周期較短，可進行搭載發射，所需成本遠低于常規衛星，適合教學與科研實驗；二是無實際應用的嚴格約束，可跳出常規研制規范流程的框架，大量的設計新概念、應用新設想及商用組件等可得到支持和使用；三是通過參與，激發學生對航天技術的熱愛，牽引整個航天學科的發展。例如：英國薩瑞大學以低成本（百萬英鎊）、短周期（研制周期1～2年）、高效益、高效率、技術先進和管理現代化為突破口，形成商業現貨產品應用的技術規范和流程，打造通用化、系列化的小微衛星平臺，先后將26顆各類小微衛星送入太空，引領衛星技術發展趨勢，完成了面向分布式空間任務的甚小型衛星設計的深入研究，成為衛星教學與科研實驗領域的佼佼者。

4．2 空間技術演示驗證平臺

甚小型衛星雖小，卻是非常重要的新技術演示驗證平臺，可經濟、快速地提供新技術空間飛行試驗和演示，特別是對微米技術，包括專用集成微型機械裝置（ASIM）、微機電技術（MEMS）、微光電機系統（MOEM）和其他微型機械裝置，以及納米技術（分子尺度或原子尺度的裝置）、FPGA 技術、片上系統（SoC）或可編程片上系統（SoPC）技術、單片式微波集成電路技術（MMICs）和主動電子掃描陣列技術（AESA）等進行太空演示驗證。充分利用這些微納技術和集成技術，不僅能大大減少衛星質量、體積、功耗以及研制成本，而且能大大提高系統的可靠性和衛星功能密度。最終，可使甚小型衛星各個子系統完全一體化，并形成相應模塊，適應未來批量化生產，形成衛星商業化產業。此外，還可開展諸如衛星編隊飛行、星群間無線通信、空間環境的科學測量、空間碎片監測以及深空探測等任務。據報道［13］，美國德雷伯實驗室與麻省理工學院共同研制的甚小型衛星，用于發現太陽系之外適宜居住的行星，只有面包大小，寬約10cm，長約30cm，造價379 000英鎊，可勘測當一顆環繞軌道運行的行星位于凌日位置的恒星亮度變化?？茖W家希望未來發射衛星編隊飛行來勘測數百顆恒星，探索是否存在類地系外行星。

4．3 分布式空間任務應用

甚小型衛星體積非常小，功能單一，但是能夠在較短的研發時間內實現低成本的批量生產，并且一次可用火箭發射幾十甚至上百顆，因此，在以星座組網或星群編隊的形式執行分布式空間任務方面，具有極大的優勢。甚小型衛星在組網條件下，能充分利用星群網絡下衛星數據可互為輔助補充和增強的特點，將某些復雜的衛星功能分布化和組合化，進行功能協同，資源共享。分布式甚小型衛星系統可執行的典型空間任務包括分布式通信、分布式導航，以及編隊飛行光學遙感或測量等。例如，NASA 設想在低地球軌道密布甚小型衛星，構建一個基于互聯網及相關服務的“第5代通信和網絡系統”（5G）衛星星座，大幅提高移動通信服務能力。

4．4 空間安全任務

甚小型衛星在執行空間安全任務方面有其特有的優勢。由于單星體積小，難以跟蹤和摧毀，其隱蔽性和生存能力強；低成本的批量生產和星群部署，使其具有系統可重組性和再生性。美國陸軍航天與導彈防御司令部（SMDC）納衛星技術項目經理約翰·蘭頓（John London）在2011年國際太空發展會議上就曾指出：“我們認為能在一個很小的裝置內封裝許多功能模塊，目前正在快速朝這一方向發展?！笨梢?，甚小型衛星在空間軍事應用上具有很好的前景。例如，甚小型衛星可用于執行子母星任務，平時利用組合排列在母星上的多顆完全相同的甚小型衛星，分別對相同地區獲取多幅低分辨率圖像，然后通過圖像處理得到高質量圖像；還可釋放這些甚小型衛星，讓它們分布在目標星周圍（繞飛）進行監視、干擾和攻擊。

以上是甚小型衛星比較明確或可預見的發展方向，不過，其有效應用還面臨著兩大方面的挑戰。一是在自由飛行或編隊組網時，面對的是復雜的空間環境和軌道動力學環境；二是小于1kg 的質量限制，大大壓縮了成熟載荷的選擇范圍，對電源功率、通信距離以及推進效能也是極大的約束。因此，還要進一步發展提高，才能使其得到更廣泛的應用。

5 啟示與建議

當前，小微衛星的發展是以高性能部件的微小型化和航天器總體設計的一體化為特征，甚小型衛星作為其中一個前沿分支，以快速發展的新一代微米、納米技術為基礎，重點突破研制以微硅衛星為代表的皮、納衛星，同時也將實現更好的三維集成化和一體化。因此，作為新興的衛星研發和應用領域，我國將對甚小型衛星的需求越來越大。新技術和集成度水平的提高，將進一步推動甚小型衛星的發展。

文獻［14］從成本的角度綜合考量了CubeSat、SpaceChip、PCBSat和MCMSat衛星技術。設定以探測電離層閃爍現象為衛星任務，設計10顆甚小型衛星形成星座進行探測。假設初始投入900 萬美元，評價標準為單顆衛星成本、每瓦功率成本、每體積載荷成本，其結果如表1所示。

表1 4種甚小型衛星成本比較Table 1 Cost comparison of four kinds of very small satellite 美元

從前文分析和表1可以看出，4種甚小型衛星技術各有特點：SpaceChip 體積最小，功耗很小，但是通信距離較短，且成本最低，但是實現復雜，國際上還未出現使用該技術的衛星初樣；CubeSat雖然設計成熟，但體積固定，成本最高；MCMSat綜合了PCBSat和SpaceChip的技術特點，芯片距離近，裝配密度大，質量小，但還沒有衛星初樣，技術復雜，相比PCBSat來說成本也較高。綜合而言，PCBSat相對易于設計，體積小，且有商用現貨元器件，成本較低，是一種比較適合我國發展和實現高性價比皮、飛衛星的重要技術。因此，PCBSat技術可作為我國甚小型衛星發展主要考慮的方向。

在我國甚小型衛星技術的發展中，建議重點著眼于商用現貨元器件篩選及應用技術，提高空間應用的可靠性和安全性，有效降低開發和制造成本。試驗驗證一體化姿態控制技術、新型微推進技術、輕型高效的蓄電池和太陽電池技術等，進一步提升衛星的集成度和性價比，使甚小型衛星既廉價又好用。此外，通過編隊組網的形式，還可使甚小型衛星形成一個功能更加完善、性能更加強大的系統，能在更廣闊的領域得到應用。

（References）

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［11］Barnhart D J，Vladimirova T，Sweeting M N．Satellite-on-a-chip：a feasibility study ［C］／／ Proc．5th Round Table on Micro／Nano Technologies for Space Workshop．Paris：ESA，2005：728-735

［12］Barnhart D J，Vladimirova T，Sweeting M N．Systemon-a-chip design of self-powered wireless sensor nodes for hostile environments［C］／／Proceedings of IEEE Aerospace Conference．New York：IEEE，2007

［13］The Daily Mail．The loaf is out there：the bread-sized satellite that’s searching for alien life ［EB／OL］．［2011-05-19］．http：／／www．dailymai．co．uk／scienceetach／article-1387706／Nano-satellite-size-loaf-breadsent-search-alien-life．html

［14］Barnhart D J，Vladimirova T，Sweeting M N．Satellite miniaturization techniques for space sensor networks［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，2009，46（2）：469-472